Устройства приема и обработки дискретных и аналоговых сигналов (УПО-ДАС)
..pdf
81 |
|
|
|
|
|
XBP1 |
|
XSC2 |
|
|
IN |
OUT |
|
Ext Trig |
схема активного резонансного фильтра Саллена-Кея |
|
+ |
||
|
|
A |
B |
|
|
|
|
|
_ |
+ |
_ |
+ |
_ |
|
|
R5 |
|
|
|
|
1.592kΩ |
|
V5 |
|
|
|
|
|
|
R1 |
C1 |
212 VU1 |
|
|
|
10 |
6 |
|
|
1.592kΩ |
100nF |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
V1 |
|
|
7 |
3554AM |
C2 |
R4 |
|
|
|
|
|
|
||
1mVpk |
100nF |
3.183kΩ |
|
R3 |
|
|
|
|
|
1kHz |
|
|
|
195Ω |
0° |
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
V2 |
|
|
|
100Ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 V |
а.
б. |
в. |
г.
Рис.11. АЧХ узкополосного RL-фильтра
Загрузить файл исследуемого узла тракта РПрУ в пакет MultiSim [4].
В разделе меню «Моделирование» совершить переход по вкладкам -> «Вид анализа» - > «Анализ шумов»;
Установить следующие параметры вкладки: «Рассчитать спектральную плотность мощности шума»; Здесь следует указать источник шума, опорный и выходной узлы. В
рассматриваемом примере это V1, V(output) и V(0) соответственно.
После запуска кнопки «Моделирование» получить расчетный график для спектральной плотности мощности (СП) шума на выходе фильтра;
Далее активировать постпроцессорную обработку этих данных о СП шума,
приведенных ко входу схемы, и хранящихся в файле «inoise_spectrum». Расчет шум-
фактора Fш фильтра провести по формуле:
82
Fш =10∙log[(inoise_spectrum)2/(k∙T∙Rг)].
Здесь k -постоянная Больцмана, T- абсолютная температура, Rг – внутреннее сопротивление источника шума.
Для этого выполнить последовательность переходов: «Моделирование ->
Постпроцессор -> Вкладка «Выражение»-> Здесь приведенную выше формулу следует ввести в формате: «db((inoise_spectrum)/(4*1.38e-23*300*50))/2» -> Вкладка
«Графопостроитель». Здесь из окна» Доступные выражения» набранную формулу переводим в окно «Выбранные выражения» -> Кнопка «Расчитать». Получить результирующий график для частотной зависимости шум-фактора Fш исследуемого фильтра (рис.11г.).
Упражнение 5. Исследование аналоговых амплитудных линеаризующих детекторов на основе операционных усилителей в пакете MultiSim
Собрать по рис.8-10 схемы простого и линеаризиованных АД, включая необходимую приборную оснастку
Рис.12. Схема простого последовательного диодного детектора АМ-сигналов
Задание:
1.В соответствии с рис.12, подключить ВЧ-генератор ко входу АД. Установить на генераторе модулирующую частоту 4000 Гц, а несущую частоту 465 кГц.
2.Исследовать работу амплитудного детектора с помощью двухлучевого осциллографа в режиме сильных и слабых сигналов.
3.Измерить коэффициент передачи детектора и уровень нелинейных искажений в режиме сильных сигналов. Рассчитать коэффициент передачи детектора.
KдW UmW / m Um0вх
83
Рис.13. Схема однотактного линеаризирующего АД
Рис.14. Схема двухтактного линеаризирующего АД активным ФНЧ Салана-Кея
4.Измерить коэффициент передачи детектора и уровень нелинейных искажений в режиме слабых сигналов. Сравнить значения коэффициента передачи детектора в режиме сильных и слабых сигналов.
5.Повторить измерения по п.3,4 для схем одно- и двух-тактных линеаризующих АД.
Провести подбор микросхем ОУ, обеспечивающих детектирование модулирующей частоты 1*, кГц. (N- порядковый номер студента в групповом списке).
6. Для схем 7 и 8 одно- и двух-тактных линеаризующих АД измерить минимальный уровень входного АМ сигнала, при котором система авторегулирования микроскхемы ОУ обеспечивает линейность детектирования с заданным уровнем нелинейных искажений.
Контрольные вопросы к упражнению:
Объясните процесс детектирования во временном домене.
84
Объясните процесс детектирования в частотном домене.
Каков спектр тока в простом АД?
Каков спектр тока в линеаризированном АД?
Какие требования предъявляются к фильтрам АД?
Таблица 1. Радиовещательные диапазоны РФ
Диапазон |
№ варианта |
Поддиапазон |
Частоты в МГц |
||
|
|
|
|
|
|
|
ДВ |
1 |
- |
0,144-0,415 |
|
|
|
|
|
|
|
|
СВ |
2 |
- |
0,525-1,602 |
|
|
|
|
|
|
|
KB |
|
12 |
3 |
90м |
3,500 - 3,650 |
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
4 |
75м |
3,65-3,800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
5 |
65м |
3,900-4,000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
6 |
52м |
4,750-5,060 |
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
7 |
49 м |
5,950-6,200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
8 |
41 м |
7,100-7,300 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
9 |
31 м |
9,500-9,775 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
10 |
25 м |
11,700-11,975 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
11 |
19м |
15,100-15,450 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
12 |
16 м |
17,700-17,900 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
13 |
13м |
21,450-21,750 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
14 |
11-1 м |
25,600-25,750 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
15 |
11-2 м |
25,750-26,100 |
|
|
|
|
|
|
УКВ-1 (OIRT) |
|
Отечественный |
65,8-73 |
||
|
|
|
|
||
УКВ-2 (CCIR) |
|
Западный |
87,5-108 |
||
|
|
|
|
|
|
Таблица 2. Любительские КВ диапазоны
№ |
Диапазон частот, кГц. |
Примечание |
|
|
|
|
|
1 |
1810-2000 |
160 м, условно считается коротковолновым |
|
|
|
|
|
2 |
3500 |
- 3650 |
|
|
|
|
|
3 |
3650 |
- 3800 |
на вторичной основе |
|
|
|
|
4 |
7000 |
- 7100 |
|
|
|
|
|
5 |
7100 |
- 7200 |
на вторичной основе |
|
|
|
|
6 |
10 100 |
- 10 150 |
на вторичной основе |
|
|
|
|
7 |
14 000 |
- 14 350 |
|
|
|
|
|
8 |
18 068 |
- 18 168 |
на вторичной основе |
|
|
|
|
9 |
21 000 |
- 21 450 |
|
|
|
|
|
|
|
85 |
|
|
|
10 |
24 890 - 25 140 |
на вторичной основе |
|
|
|
11 |
28 000 - 29 700 |
160 м, условно считается коротковолновым |
|
|
|
Рекомендуемая литература
1.Брюс Картер, Рон Манчини. Операционные усилители для всех. - М.: Додэка-XXI, 2011. - 544 с.:
2.У. Томаси. Электронные системы связи /- М.: Техносфера, 2007. - 1360 c.
3.Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. Схемы, блоки, 50-омная техника / Пер. с нем. – М.: 1990.
4.Шестеркин, А.Н. Система моделирования и исследования радиоэлектронных устройств
Multisim 10 [Электронный ресурс] /– М.: ДМК Пресс, 2012. - 360 с.
5. Руководство по Visual System Simulator NI AWR Design Environment v14 Edition (ttps://awrcorp.com/download/kb.aspx?file=docs/VSS_Getting_Started_ru.pdf)
6. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ-устройств с помощью
Microwave Office. Под ред. В.Д. Разевига. – М.: СОЛОН-Пресс, 2003. – 496 с.
7. А.А.Курушин. Практикум проектирования СВЧ устройств с помощью программы
Microwave Office. Электронная книга. Часть 5. М., 2011,2016. – 171 с.
(http://kurushin.ucoz.ru/load/praktikum_proektirovanija_svch_ustrojstv_s_pomoshhju_program my_microwave_office/1-1-0-30)
8. Фолкенберри Л.М. Применения операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ.
– М.: Мир, 1985. – 572 с.
9 Владимиров С..Н., Дейкова Г.М., Журавлев В.А., Майдановский А.С., Мещеряков В.А.,
Новиков С.С. «Нелинейные и параметрические явления в радиотехнике. Лабораторный практикум». Томск, НТЛ, 2009, 276 с.
86
5. Тема. Проектирование фильтров на ПАВ тракта РПрУ
Целью данной практической работы является изучение особенностей проектирования полосно-пропускающих фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для тракта РПрУ с помощью авторского прикладного программного обеспечения.
Краткие теоретические сведения.
Фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является трансверсальным КИХ фильтром, в котором время распространения поверхностной акустической волны на пьезоэлектрическом кристалле определяет его свойство как звена задержки. Возбуждение поверхностных волн входным электрическим сигналом и их обратное преобразование в выходной электрический сигнал осуществляются пьезоэлектрическим преобразователем,
который называют также встречно-штыревым преобразователем (ВШП) за конфигурацию электродов в виде встречных гребенок. На рис. 1 показано устройство фильтра ПАВ со взвешенным и невзвешенным преобразователями, разделенными пролетным промежутком.
Рис.1. Общий вид и устройство ПАВфильтра ВШпреобразователи ПАВ –фильтра, расположенные на пьезоэлектрической
подложке, за счет пьезоэффекта подложки, обеспечивают прямее и обратное преобразования между приложенным к ним электрическим сигналом и ПАВ-
поверхностной волной (волной Рэлея). Эта волна представляет собой упругую волну, на поверхности твердого тела и распространяющуюся со скоростью V ≈ 3000…4000 м/с. В
случае плоской поверхности ее скорость распространения не зависит от частоты
(дисперсия отсутствует), поэтому форма волны остается неизменной, а групповое время пробега постоянным [1].
Выходной ВШП, с N2 электродами, регистрирует акустический сигнал S(t). При прохождении ПАВ под i-м электродом на электроде из-за пьезоэффекта наводится заряд qi(t), пропорциональный S(t). На шинах, соединяющих электроды ВШП, наводимые заряды суммируются, и электрический сигнал на выходном ВШП имеет вид:
87
N 2 |
|
|
(1) |
A i |
Si |
(t) |
|
y(t)= i 1 |
|
|
, |
где Si(t) – сигнал S(t), принимаемый i-м электродом; Аi – коэффициент, зависящий от материала подложки, геометрии электродов, способа соединения электродов с шиной и др.
Из (1.1) следует, что выходной сигнал есть линейная комбинация входного сигнала,
взятого в различные моменты времени с различными весовыми коэффициентами Аi, т.е.,
ВШП осуществляет цифровую фильтрацию.
Если на входной ВШП фильтра (рис. 1.1) подать -импульс электрического напряжения, то от преобразователя будут распространяться поверхностные возмущения,
структура которых отражает структуру входного ВШП. Возмущение, распространяющееся
к выходному преобразователю, имеет вид |
|
|
|
|
N1 |
|
x i |
(2) |
|
A1 i |
(t |
) |
||
V |
||||
h1(t)= i 1 |
|
, |
где N1 – число электродов входного преобразователя; А1i – «веса» электродов входного ВШП, определяемые конструкцией преобразователя (в простейшем случае они пропорциональны длине перекрытия электродов); xi – координаты точек максимального возбуждения ПАВ; V – скорость ПАВ.
В модели -источников точки xi расположены на краях электродов – по две точки на каждый. Для простоты часто используют модель одной -функции, в которой две соседние
-функции заменяют одной. В случае подложек, на которых пьезоэффект вызывает нормальные к поверхности механические напряжения, например на YZ=LiNbO3,
объединяют две -функции, относящиеся к одному электроду, и точка xi соответствует середине i-го электрода. В случае подложек, на которых пьезоэффект вызывает касательные механические напряжения, например на кварце ST-среза, объединяют две -
функции, относящиеся к одному зазору между электродами, и точка xi соответствует середине зазора между i-м и (i+1)-м электродом.
При прохождении возмущения (2) под выходным ВШП за счет пьезоэффекта на электродах наводятся заряды qi. Можно считать, что заряды возникают в моменты времени, соответствующие прохождению импульсов поверхностного напряжения под точками максимального возбуждения ПАВ. Следовательно, сигнал на выходном преобразователе можно записать в виде
N1
A1 i
h2(t)= i 1
где h1(t) определено (2).
|
x |
|
|
(3) |
(t |
|
i |
) |
h1 (t) |
|
|
|||
|
V |
, |
||
|
|
|
|
|
88
Если шаг размещения электродов d входного и выходного преобразователей одинаков, то выходной сигнал состоит из N1+N2-1 импульсов:
N1 |
N 2 1 |
|
|
yi |
(t (i 1) ) |
h2(t)= |
i 1 |
, |
следующих друг за другом через интервалы времени =d/V. Амплитуда i-го импульса есть взвешенная сумма импульсов входного сигнала, воздействующих в данный момент на преобразователь:
N1 N2 A1 1k |
A2 N1 |
1 k i |
yi= k 1 |
|
. |
Выражение (2), представляющее собой реакцию входного ВШП на -импульс,
описывает импульсную характеристику входного преобразователя. Импульсная характеристика выходного ВШП имеет аналогичный вид (см. сомножитель в квадратных скобках в (3), а импульсный отклик всего фильтра есть свертка импульсных характеристик входного и выходного ВШП.
Если импульсная характеристика одного из преобразователей, например входного,
может быть представлена одной -функцией: h1(t)= (t), то импульсная характеристика всего фильтра совпадает с импульсной характеристикой второго преобразователя:
h(t)=h2(t).
|
N1 |
|
x |
i |
|
|
|
A1 i |
(t |
|
) |
h1 (t) |
|
|
|
|
||||
h2(t)= |
i 1 |
|
V |
, |
||
|
|
|
|
|
||
где h1(t) определено (2).
Если шаг размещения электродов d входного и выходного преобразователей одинаков, то выходной сигнал состоит из N1+N2-1 импульсов:
N1 |
N 2 1 |
|
|
yi |
(t (i 1) ) |
h2(t)= |
i 1 |
, |
следующих друг за другом через интервалы времени =d/V. Амплитуда i-го импульса есть взвешенная сумма импульсов входного сигнала, воздействующих в данный момент на преобразователь:
N1 N2 A1 1k |
A2 N1 |
1 k i |
yi= k 1 |
|
. |
Выражение (1.2), представляющее собой реакцию входного ВШП на -импульс,
описывает импульсную характеристику входного преобразователя. Импульсная характеристика выходного ВШП имеет аналогичный вид (см. сомножитель в квадратных скобках в (1.3)), а импульсный отклик всего фильтра есть свертка импульсных
(4)
(5)
(6)
(3)
(4)
(5)
89
характеристик входного и выходного ВШП.
Если импульсная характеристика одного из преобразователей, например входного,
может быть представлена одной -функцией: h1(t)= (t), то импульсная характеристика всего фильтра совпадет с импульсной характеристикой второго преобразователя:
h(t)=h2(t). |
(6) |
Методика синтеза ПАВфильтров
Проектирование ПАВ-фильтра сводится к задаче синтеза по заданной частотной характеристике H( ) структуры его приемного ВШП, т.е. определение числа положений и конфигураций электродов каждого ВШП. Данная задача решается в два этапа. На первом из них устанавливаются относительные веса отсчетов импульсной характеристики ВШП, а
на втором – находятся топология ВШП для рассматриваемой реализации фильтра.
На первом этапе по известной функции H() требуется определить число отсчетов
N1 и N2, а также все коэффициенты A1n |
и А2n импульсных характеристик: |
||||||||
|
|
|
|
N1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A1n |
(t n ) |
|
|
||
h1(t)=h1(n)= n 1 |
|
|
|
; |
|||||
|
|
|
|
N2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A2n |
(t n ) |
|
|
||
|
h2(t)=h2(n)= n 1 |
|
|
|
. |
||||
Таким образом, задача сводится к определению |
h1(t) |
и h2(t) по общей импульсной |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H( )e j t d |
|
|
|
|
|
||||
характеристике фильтра h(t)= |
|
. |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
h t e j t dt |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
h t |
H |
e |
|
|
d |
||||
|
|
|
|
|
|
j t |
|
||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Как уже указано, h(t) есть свертка дискретных функций h1(n) и h2(n), и, следовательно,
можно записать
(7)
h(n)= m .
Обычно, ВШП ПАВ-фильтра конструируют так, что один из них является широкополосным, поэтому результирующая АЧХ будет определяться вторым, приемным ВШП. В данном случае широкополосный преобразователь является однородным преобразователем с малым числом отсчетов импульсной характеристики, и его полоса пропускания существенно превышает полосу пропускания второго ВШП. Импульсная
90
характеристика широкополосного ВШП, например h1(t), имеет малую длительность и в силу (1.5), импульсная характеристика всего фильтра совпадает с импульсным откликом полосозадающего ВШП: h2(n)=h(n). Такой подход позволяет в принципе решить задачу синтеза требуемой частотной характеристики фильтра на ПАВ, хотя не обеспечивает реализации фильтра с минимальным числом отсчетов импульсного отклика.
Рассмотрим синтез идеального ППФ-фильтра, частотная характеристика которого показана на рис. 2, а.
|
H |
H |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
f 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
fo |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3. Частотная (а) и импульсная (б) характеристики идеального полосового фильтра
Для импульсного отклика идеального полосового фильтра получаем
|
sin( f t) |
|
(8) |
|
|
|
|
|
|
h(t)= f ej2 fo t |
f t |
, f=f2–f. |
|
|
Множитель ej2 fo t в (1.8) |
соответствует переносу середины |
частотной |
||
характеристики на частоту fo, а сомножитель вида sin x/x называют импульсной характеристикой h0(t) низкочастотного (НЧ) прототипа фильтра. Из (1.8) следует, что при синтезе фильтра речь идет о реализации импульсной характеристики НЧ прототипа. Из
(1.8) следует, что
|
|
n sin X n |
|
|
|
1 |
|
||
|
|
X n |
|
|
h0(n)= f |
n |
|
, |
|
|
|
|
||
где Xn= n(f2-f1)/2fo, т.е. импульсная характеристика идеального ППФ оказывается бесконечной во времени и для ее реализации требуется бесконечное число электродов. Это означат невозможность физической реализации такого устройства. На рисунке 4.1, б
приведен вид импульсной характеристики (половина, соответствующая t>0) идеального полосового фильтра.
На практике, не задают точный вид H(), а требуют, чтобы в полосе пропускания от f1 до f2 (рис. 1.3) коэффициент передачи был достаточно близок к единице, ширина переходной области между полосой пропускания и областью задерживания была меньше заданной и вне полосы пропускания коэффициент передачи был достаточно близок нуля